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刀闸开关熔丝过负荷残留物形貌特征分析

2012-4-5 15:48| 发布者: 花瓣七七| 查看: 2935| 评论: 0|原作者: 王晶晶,张辉

摘要: 摘要:利用火灾痕迹物证综合实验台制备了熔丝在下属电路不同过负荷条件下的残留物,用扫描电子显微镜对熔丝残留物形貌特征进行了观察和分析。结果表明:在不同的过负荷条件下,电流越大,熔丝残留物表面氧化物越多, ...

摘要:利用火灾痕迹物证综合实验台制备了熔丝在下属电路不同过负荷条件下的残留物,用扫描电子显微镜对熔丝残留物形貌特征进行了观察和分析。结果表明:在不同的过负荷条件下,电流越大,熔丝残留物表面氧化物越多,断口处的韧窝越大、越深。

关键词:刀闸开关;熔丝;过负荷;残留物;形貌特征

中图分类号:TM564.3   文献标志码:A   文章编码:1001-4012201109-0554-03

 

Analysis n Morphology Characters of Fuse Overload Residuum of Knife Switch

 

WANG Jing-jingZHANG Hui

(The Second Graduate Teamthe Chinese People’s Armed Police Force AcademyLangfang 065000China)

 

AbstractThe integrated experimental system of material evidence for fire trace was used to make fuse residuum by simulating different degree of overload. The scanning electron microscope was utilized to observe and analyze the morphology characters of fuse overload residuum. The results indicate that in the different degree of the overloadthe larger the current isthe more the amount of the oxide on the surface of fuse residuum isthe larger the current isthe bigger and deeper the dimple of fuse residuum is.

Keywordsknife switchfuseoverloadresiduummorphology characters

 

随着社会经济的持续发展,全国用电量不断增加,电气火灾发生的次数居高不下,造成了具大的经济损失和人员伤亡。如我国2008年共发生火灾13.7万起,其中电器火灾4.1万起,占总数的29.9%[1-4]。据统计电气火灾中不少是与刀闸开关熔丝过负荷有关。对于过负荷火灾的认定,其关键问题是能通过导线残留物,确定其在火灾中发生前的状态,这是认定此类火灾原因的关键性问题[5]。笔者通过模拟试验,制备了熔丝在下属电路不同过负荷条件下的熔丝残留物,利用扫描电子显微镜对其形貌特征进行拍摄、记录。对得到的熔丝残留物进行对比,分析其在不同过负荷条件下的形貌特征,总结出其中的差别与规律,以此来鉴别其在火灾前是否处于过负荷状态以及判定其过负荷程度。

1.       试验方法

在火灾痕迹物证综合实验台(频率50Hz,输出电压380V)的刀闸开关的底座上接入额定电流分别为51015A的熔丝,通过调压器调节电压来设定电路中的瞬态电流为22.533.54倍额定电流,分别获得不同规格熔丝在不同过负荷电流下的残留物。然后将残留物置于扫描电子显微镜下进行观察,扫描电子显微镜的分辨率是6nm(钨丝),放大倍数为15~250 000(工作距离12nm),加速电压为0~30kV

2.       试验结果与分析

2.1.       熔丝缺损长度

过负荷时,熔丝通电逐渐升温,经过一段时间而熔化、断开,称之为“熔断”,熔断的熔丝上段呈锥形,如图1所示,但熔丝的缺损量较小。具体的熔丝缺损长度如表1所示,可见同一规格的熔丝,不同过负荷条件下熔丝的缺损长度基本相等;同一过负荷条件下,额定电流越大的熔丝,缺损越多。

1  熔断熔丝的宏观形貌

Fig. 1  Macro morphologies of the fusing fuse

(a)    3 times of rated current  (b)  3.5 times of rated current

 

1  过负荷时熔丝的缺损长度和熔断时间

Tab. 1  Defect length and fusing time of overload fuse

额定电流倍数

缺损长度/cm

熔断时间/s

5A熔丝

10A熔丝

5A熔丝

10A熔丝

3

1.0

1.4

18.10

9.73

3.5

1.0

1.5

15.02

8.29

4

1.1

1.5

10.00

7.63

 

2.2.       熔丝熔断时间

各种过负荷情况下熔丝的熔断时间也列于表1,可见过负荷的电流越大,熔丝熔断的速度越快。同一规格的熔丝,过负荷电流越大,熔丝熔断所需的时间越短;不同规格的熔丝,在同一倍率的额定电流下,额定电流越大的熔丝,熔断所需的时间越短。

2.3.       熔丝过负荷残留物的形貌特征

2.3.1.      表面形貌特征

根据电流的集肤效应,当熔丝中有交变电流时,会使趋近熔丝表面处的电流密度增大,则熔丝表面处的焦耳热较多,结果使熔丝表面层先行熔化并凝固,而熔丝中心部分尚未熔化过负荷过程即已结束,因此熔断区的端部残留有未熔化的尖状熔体,同时有干瘪现象出现,表面粗糙,有熔融痕迹,熔断区成锥形。不同过负荷条件下的熔丝表面低倍形貌大致相同,如图2所示。

2  熔丝过负荷残留物表面的低倍形貌

Fig. 2  Morphologies of residuum surface of overload fuse in low magnification

(a)    3 times of rated current  (b)  3.5 times of rated current

 

高倍下观察发现,熔丝表面粗糙,有熔融流淌的痕迹;过负荷程度越大,通过熔丝的电流越大,熔丝表面的温度越高,因此在不同过负荷条件下,电流越大,附着的氧化物越多,如图3所示。

3  熔丝过负荷残留物表面的高倍形貌

Fig. 3  Morphologies of residuum surface of overload fuse in high magnification

(a)     3 times of rated current  (b)  3.5 times of rated current

 

2.3.2.      断口形貌特征

观察熔丝断口呈杯锥形状,有颈缩现象,附近有明显的宏观塑性变形,存在纤维区和放射区,放射区有放射纤维花样,放射方向与裂纹扩展方向平行,并逆指向裂纹源。熔丝属于塑性良好的合金材料,杯锥状断口的中心纤维区是由无数小的杯锥组成的,说明它是由塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的。不同过负荷条件下的熔丝断口低倍形貌大致相同,如图4所示。

4  熔丝过负荷残留物断口的低倍形貌

Fig. 4  Morphologies of residuum fracture of overload fuse in low magnification

(a)     3 times of rated current  (b)  3.5 times of rated current

 

高倍下观察发现,断口处有等轴韧窝出现,韧窝呈杯锥状,直径较小,但深度较大,韧窝的尺寸基本均匀一致,大韧窝内部附着有小韧窝,韧窝内部呈螺旋状的纹理,无明显的孔洞和缩孔。通常,塑性越大的材料越易发生内颈缩,则韧窝越深。因此随着塑性的增加,韧窝变深[6];电流越大,熔丝表面的温度越高,熔丝的塑性越大,所以过负荷电流越大,韧窝越深,如图5所示。

5  熔丝过负荷残留物断口的高倍形貌

Fig. 5  Morphologies of residuum fracture of overload fuse in high magnification

(a)     3 times of rated current  (b)  3.5 times of rated current

 

3.       结论

(1)     不同过负荷条件下,熔丝的缺损长度基本相等;过负荷的电流越大,熔丝熔断速度越快。

(2)     不同过负荷条件下,熔丝残留物表面低倍形貌基本相同,高倍形貌则有明显区别:过负荷电流越大,表面附着的氧化物越多。

(3)     不同过负荷条件下,熔丝残留物断面低倍形貌基本相同,高倍形貌则有明显区别:随着过负荷电流增大,断口上的韧窝有变大、变深的趋势。

 

参考文献:

[1]      公安部消防局.中国火灾统计年鉴[M]. 北京:中国人事出版社,2003:341.

[2]      OKAMOTO K, WATANABE N, HAGIMOTO Y. Deterioration in tracking resistance of dielectric materials caused by thermal degradation[C]//Proceedings of the 1st Conference of the Association of Korean-Japanese Safety Engineering Society. [s. l.]:[s. n.], 1999:231-234.

[3]      KAT Suhiro Okamoto, HIDEKI Sato. Fire Causes in Electrical Plugs[R]. [s. l.]:National Research Institute of Police Science, 1998:47-52.

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